Additive-induced morphology control in P3HT:PCBM bulk heterojunction organic solar cells

최원태 서울대학교 대학원 2012 국내석사

Organic Solar Cells(OSCs) based on conjugate polymers have begun to demonstrate their potentials as a route to flexible and low cost fabrication with reasonable power conversion efficiency. Notwithstanding the significant development, Organic Solar Cells represent low performance compared to inorganic counterparts due to their short exciton diffusion lengths and low electron and hole mobility. The Bulk Heterojunction (BHJ) geometry, which can provide a larger surface area and three-dimensional bi-continuous network morphology, is regarded as a promising device structure for surmounting the short exciton diffusion length and the carrier transport problems. Hence, morphology control of the active layer within BHJ OSCs is the key factor governing the device performance. Herein, the effect of solvent quality on the morphology of poly(3-hexylthiophene) (P3HT):phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM) active layer was investigated. The solubility of the solvent can be modified by the injection of the additives into the P3HT:PCBM blend solution. The degree of P3HT crystallinity as well as PCBM domain size can be controlled via solubility control of the solvents. Based on Morphology adjustment, P3HT:PCBM bulk heterojunction solar cells were fabricated. A maximum power conversion efficiency of 3.24% was achieved, which is 43% enhancement compared to the reference, solar cell device fabricated from additive non-treated solution. 유기태양전지는 유연성, 저렴한 제작단가 등의 장점을 가지고 있다. 하지만, 유기물질들은 짧은 역이자 확산거리를 가지는 단점으로 인해 기존의 실리콘 기반의 무기태양전지에 비해 낮은 효율을 나타낸다. 이러한 단점을 해결하기 위해 벌크 이종접합 구조가 시도되었다. 벌크 이종접합 구조를 통해 유기태양전지의 활성층 내의 전자 주게 및 받게 물질들은 삼차원적 연속적 구조를 형성할 뿐만 아니라, 큰 접촉 면적을 구현할 수 있다. 따라서 벌크 이종접합 구조의 유기태양전지의 성능을 향상시키기 위해서는 활성층의 구조 제어가 필수적이다. 본 연구에서는 poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 및 phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)으로 구성된 벌크 이종접합 유기태양전지의 구조를 제어하기 위해 P3HT:PCBM 블렌드 용액의 용해도를 조절하였다. 이를 통해P3HT의 결정성 및 PCBM 덩어리의 크기를 제어할 수 있었다. P3HT 나노 와이어 및 작은 크기의 PCBM덩어리로 구성된 유기태양전지를 구성하였고, 전력변환효율 3.24%를 나타내었다. 이것은 기존의 P3HT:PCBM으로 구성된 태양전지에 비해 43%의 성능 향상을 나타내었다.

Fabrication and Characterization of Bulk Heterojunction Organic Solar Cells Using Poly(3-hexylthiophene) and Fullerene Derivatives

백운혁 명지대학교 대학원 2010 국내석사

최근 P3HT와 PCBM 을 이용한 유기태양전지는 세계 최대 6 % 이상의 효율을 나타내고 있으며 비약적인 발전을 거듭하고 있다. 하지만 유기물의 특성상 재료나 환경, 실험 조건이 효율 및 특성에 영향을 많이 미치는 것이 현실이다. 이에 본 연구에서는 P3HT와 PCBM을 이용하여 bulk heterojunction 구조의 유기 태양전지를 제작함에 있어 코팅 조건과 두 물질의 비율을 다양하게 함으로써 그에 따른 광활성층의 특성을 분석하였으며, 태양전지의 성능간의 관계를 알아보았다. 또한 일반적인 구조의 태양전지는 공기중에서 수명이 짧은 문제점이 있기 때문에 안정적인 무기물과의 조합을 통한 역구조의 태양전지를 제작하였다. 일반적으로 TiO₂는 전자만을 이송하는, 상온의 공기중에서도 안정한, 용액상태로 공정이 가능한 물질로 알려져 있다. 코팅 조건에 따른 실험은 일반적인 구조인 ITO / PEDOT:PSS / P3HT:PCBM / Al 구조에서 실행하였으며, 스핀 코팅시에 광활성층의 두께는 같고 용매의 증발속도를 다르게 하기 위해 P3HT와 PCBM의 비율은 1:1로 고정한 상태에서 1, 2, 3 % 의 질량 비율로 용매인 chlorobenzene에 녹여 광활성층을 준비하였다. 비율에 관한 실험은 3 % 의 부피:질량 비율로 섞은 P3HT와 PCBM을 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 %까지 P3HT의 부피 비율을 조절해가며 준비하였다. 위 실험을 통하여 용매의 증발속도와 광활성층을 이루는 두 물질의 비율에 따라 변하는 특성을 관찰하였으며, 그에 따른 태양전지의 효율 변화를 분석하였다. 역구조의 태양전지는 ITO / TiO₂ / P3HT:PCBM / (PEDOT:PSS) / Au (Ag)구조로 제작하여 실험하였으며, TiO₂의 표면적을 증가시켜 전자의 이송을 용이하게 하여 효율을 향상시키는 실험과 일반적인 구조의 태양전지와의 비교 실험, 다양한 금속을 전극으로 사용한 비교 실험, 제작된 태양전지의 공기중에서의 열화실험 등에 대해 진행하였다. Focused on phase separation and morphologies of poly(3-hexylthiophene) (P3HT): [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) active layers, we studied effect of preparation conditions of the active layer on photovoltaic (PV) performance by changing concentration of P3HT:PCBM in the solvent. The performances of the cells varied depending on concentration of P3HT:PCBM (1:1 ratio by weight) in solvent even with the same thickness. The P3HT:PCBM active layer is prepared in cell structure of ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al by changing spin coating speed with different concentrations (1, 2, 3 wt%) in chlorobenzene. Here, it was found that both the P3HT:PCBM concentrations and spin coating conditions affected the crystalline structure formation, interchain interaction, morphology and phase separation during drying process of solvent and subsequent annealing. PV devices with highly ordered nanoporous titanium dioxide (titania; TiO₂) were fabricated to improve the PV performances by increasing TiO₂ interface area. Nanoimprinting lithography technique with polymethyl methacrylate (PMMA) mold was used to form titania nanopores. The solar cell with P3HT:PCBM active layer on nanoporous titania showed higher power conversion efficiency (PCE) of 1.49 % than on flat titania of 1.18 %. The improved efficiency by using nanoporous titania is interpreted with the enhanced charge separation and collection by increasing interface area between TiO₂ and active layer. Phase separation of the P3HT and PCBM active layer was investigated by varying its relative ratio in the bulk heterojunction (BHJ) organic solar cells (OSCs). The UV/visible absorption spectra of P3HT and PCBM were proportional to their compositions in the active layer. However, the crystallinity of P3HT, characterized by X-ray diffraction (XRD), improved with increasing composition up to 50 wt%, but then degraded upon any further increase in its composition above 50 wt%. This unique phenomenon corresponded to the microstructure of the layer, which was analyzed using transmission electron microscopy (TEM). The fraction of the highly ordered fiber structure of P3HT increased as the P3HT composition increased up to 50 wt% and decreased as the composition increased further, which was in accordance with the XRD results. The microstructure of the P3HT:PCBM active layer, determined by the composition dependent phase separation, supported the optimized performance of the OSCs with the active layer composition of 50 % P3HT and 50 % PCBM. We improve stability and efficiency of OSCs by using thermally stable fluorine-doped tin oxide (FTO) as a bottom electrode and by inserting poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) and TiO₂ as buffer layers to reduce oxygen diffusion to the active layer. 4.3% of maximum power conversion efficiency with stable performance which retaining over 65% of its initial efficiency after 500 h were obtained in the inverted structure of FTO/TiO₂/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Ag. In addition, OSCs fabricated by all-solution based vacuum-free processings by introducing screen printing for Ag electrode represented comparable results with those from the device using evaporated Ag electrode.

나노패턴 TiO2층을 갖는 PCBM-페로브스카이트 태양전지 제작을 위한 선제적 머신러닝 활용 방법

시티 노르하사나 빈티 사니무 전북대학교 일반대학원 2023 국내석사

Perovskite solar cells (PSCs) have revolutionized the world of renewable energy with their impressive energy conversion efficiency (ECE) and cost-effectiveness. However, the performance of PSCs is hindered by low light harvesting and poor electron transport properties. To unleash the potential of PSCs, machine learning (ML) was implemented in this research to decipher the relationship between the nanopatterning depth of mesoporous-titanium dioxide (mp-TiO2) and weight percentage (wt%) of phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). Then, the optimal combination of nanopatterning depth and wt% of PCBM that resulted the highest predicted ECE was determined and selected as a reference to fabricate PCBM-PSCs with nanopatterned TiO2 layer. Furthermore, the prediction of current density (Jsc), open-circuit voltage (Voc), fill factor (ff) and ECE were also carried out by ML. As a result, the PCBM-PSCs with nanopatterned TiO2 layers were fabricated and characterized to further understand the dual effects of nanopatterning depth and wt% of PCBM on PSCs. Experimentally, the highest ECE of 17.338% is achieved for PCBM-PSCs with nanopatterned TiO2 layer at 127 nm nanopatterning depth and 0.10 wt% of PCBM, where the Jsc, Voc and ff are 22.877 mA/cm2, 0.963 V and 0.787, respectively. An agreement between the measured and predicted ECE is demonstrated with the relative error of only 3.55%, and the measured Jsc, Voc and ff values also show consistencies with the ML prediction. Hence, these findings not only revealed the potential of ML to be used as a preliminary tool to navigate the research of PSCs, but also emphasize the significant influence of nanopatterning depth on Jsc, as well as the impact of incorporating PCBM into the perovskite layer on Voc and ff, which further enhanced the performance of PSCs. 페로브스카이트 태양전지 (PSCs)는 뛰어난 에너지 변환 효율 (ECE)과 가격 경쟁력으로 재생에너지 분야에서 세계적인 혁명을 일으켰다. 하지만, 페로브스카이트 태양전지의 성능적인 부분은, 여전히 낮은 광 수집능력과 전자 수송 능력으로 인해 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 제한된 부분을 해결하였을 때 이룩할 수 있는 페로브스카이트 태양전지의 잠재력을 발휘하기 위해, 메조포러스-이산화티타늄 (mp-TiO2) 나노패턴의 깊이와 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM)의 질량백분율 (wt%)간의 관계를 해석하는 기계 학습 (ML)을 구현하였다. 또한 가장 높은 효율의 나노패턴 TiO2 층을 갖는 PCBM-페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위해, 머신러닝을 활용하여 최적의 나노패터닝 깊이와 PCBM의 질량백분율 조합을 찾아내고, 추가로 단락 전류 밀도 (Jsc), 개방 회로 전압 (Voc), 필 팩터 (ff), 그리고 에너지 변환 효율의 예측도 실시하였다. 그 결과, 효율적인 나노패턴 TiO2 층을 갖는 PCBM-페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있게 되었고, 나노패터닝 깊이와 PCBM의 질량백분율에 따라 함께 나타나는 이중효과를 더 규명하기 위해 측정 및 특성화를 실시 하였다. 실험 결과, 127 mm의 깊이를 가진 나노패턴화층과 0.10 wt% 만큼의 PCBM이 함께 도입된 태양전지에서 가장 높은 에너지 변환 효율인 17.338%를 이룩하였으며, 이 때에 Jsc, Voc, ff 는 각각 순서대로 22.877 mA/cm2, 0.963 V, 그리고 0.787 로 측정되었다. 측정된 ECE와 예측된 ECE 사이의 오차는 약 3.55%로 매우 낮은 수치를 보였으며, Jsc, Voc, ff 또한 예측값과 크게 차이가 없었다. 이러한 연구결과를 통하여, 기계 학습이 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구에 있어 선제적인 방법론으로 충분히 가용하다는 잠재력을 드러냈을 뿐만 아니라, 나노패터닝 깊이가 Jsc에 미치는 중대한 영향력과 페로브스카이트 층에서 PCBM이 Voc와 ff에 미치는 영향이 페로브스카이트 태양전지의 성능 향상에 기여하였다는 것을 확인할 수 있었다.

Flexible nonvolatile resistive memory devices using self-assembled block copolymer/PCBM nanocomposites

조한주 서울대학교 융합과학기술대학원 2012 국내석사

상 분리가 일어난 poly(styrene-b-methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) 블록 공중합체 박막에 Fullerene 계열의 탄소 물질인 PCBM을 가두어 비 휘발성의 저항 변환성 메모리를 제작하였다. 이 실험에서 사용된 PS-b-PMMA 블록 공중합체는 두 고분자 블록의 성질에 따라 구형의 상으로 자기 조립하였다. PCBM분자들이 구형의 상을 가지는 PS 나노 도메인 안에 선택적으로 격리됨으로써 응집 없이 잘 분산 시킬 수 있었고, PCBM의 응집을 조절함으로써 더 향상된 성능을 가지는 메모리 소자를 제작할 수 있었다. PS-b-PMMA 블록 공중합체와 PCBM의 나노 혼합체로 만들어진 메모리 소자는 bipolar 스위칭 현상을 보였으며 저 전압에서도 안정적으로 재생산성 있게 그 현상을 유지하였다. 이러한 결과는 불안정한 set/reset 현상과 짧은 성능 유지 시간을 가지는 단일 고분자:PCBM 혼합체 메모리 소자와 극명한 차이를 보여준다. 더 나아가 응용 방안으로서, PS-b-PMMA/PCBM 나노 구조를 이용하여 구부림 전, 후에 성능 감소가 없는 유연한 메모리 소자를 제작하였다. 간단한 용액 공정을 통해서 고 성능을 가지고 저 전압 구동이 가능한 비 휘발성 저항 변환성 메모리를 추가 공정 없이 성공적으로 얻을 수 있었다. Here, the nonvolatile resistive organic memory devices based on a fullerene derivatives (PCBM) embedded in a micro-phase separated poly(styrene-b-methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) block copolymer thin film were demonstrated. PS-b-PMMA diblock copolymer used in this study tends to be self-assembled into the spherical structure inside the films according to the block copolymer properties. PCBM molecules were selectively isolated in the PS nanosphere domain which resulted in well-dispersed condition of PCBM without aggregation. Controlling the aggregation of PCBM allowed the memory devices to possess the improved performance. The PS-b-PMMA:PCBM nanocomposite based memory devices exhibited bipolar switching phenomenon and their characteristics were continuously stable and reproducible at low operating voltages. These results make distinctions with the homopolymer:PCBM composite devices which have unstable set/reset processes and short retention time. As further application, we fabricated the flexible memory devices using PS-b-PMMA/PCBM nanostructure in which no significant degradation of electrical properties was observed before and after bending. By simple solution process, nonvolatile resistive memory devices which had high performance and low power consumption were successfully achieved without any additional process.

나노임프린트 공정 기반 유/무기 태양전지

양화영 전북대학교 일반대학원 2019 국내박사

태양전지는 태양광에 의해 자유전자가 발생 된다는 광전효과를 이용한 장치로서 태양광을 전력으로 변환시켜주는 장치이다. 태양전지의 효율을 높일 수 있는 방법 중 한 가지는 태양전지에 의해 수집 될 수 있는 태양광의 양을 늘려줘서 태양광에 의해 생성될 수 있는 전자의 양을 늘려주는 것 이다. 본 연구에서는 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography; 이하 NIL)을 통해 만들어진 나노패턴 층을 유/무기 태양전지 제작 시 도입하여서 태양전지의 광 수집률을 증가시키고 이로 인하여 태양전지의 효율을 높이는 것에 주안점을 두었다. 먼저 유기 태양전지의 일종인 P3HT/PCBM 태양전지에 NIL 방식을 통해 나노패턴을 도입하여 태양전지의 효율이 2.62 %에서 3.12 %로 증가 하였음을 확인 하였고, 페로브스카이트 태양전지(perovskite solar cell; 이하 PSC)의 다공성 TiO2 층에 NIL의 몰드(mold) 깊이에 따른 나노패턴을 도입 하여 그 결과를 관찰 하였다. NIL에 사용한 mold의 깊이는 각각 130 nm, 200 nm 이다. 130 nm의 깊이를 가진 mold를 사용하여 나노패턴을 도입한 PSC에서 나노패턴이 도입되지 않은 PSC에 비해 단락전류 밀도(Jsc) 가 6.6% 상승한 25.24 mA/cm2로 측정되었다. 결과적으로 PSC의 효율 역시 약 7.6% 상승한 15.77%로 측정되었다. UV-vis. 분석을 통해서 130 nm의 mold를 사용하여 NIL 방식을 도입한 다공성 TiO2층의 광 투과율이 NIL 방식을 도입하지 않은 다공성 TiO2층 보다 더 높아졌음을 확인 하였다. 이를 통해 130 nm의 mold를 사용하여 NIL 방식을 도입한 다공성 TiO2층을 포함한 PSC의 광 수집률이 증가하여 효율이 상승 되었음을 알 수 있었다. NIL 방식이 도입된 PSC의 효율을 더욱 향상시키기 위해서 풀러렌(fullerene) 유도체인 PCBM을 역(inverted)구조의 PSC의 활성 층인 perovskite 층에 도입하여 PCBM-perovskite 복합 층을 만들었다. PCBM은 perovskite의 결정구조 사이에 존재 할 수 있으며 전자의 흐름을 원활하게 해주어 PSC의 성능을 개선시킬 수 있다. 임피던스(impedance)분석을 통하여 PCBM-perovskite 복합 층의 전자 수송능력이 일반 perovskite 층의 전자 수송능력에 비해 상승되었음을 확인 할 수 있었다. 일반 PSC의 측정 효율 16.72 %에 비해서 NIL 방식이 도입 된 PSC의 효율은 17.44 %, NIL 방식과 PCBM-perovskite 복합 층이 함께 도입 된 PSC의 효율은 18.31 % 로 각각 상승 되었다. Requirements for a renewable energy source are increasing, with a wide interest in new types of solar cell technology due to their categorical testament for clean energy resource replacing non-renewable resources. Third generation organic/inorganic solar cells have received much interest because of their low-cost and high power conversion efficiency (PCE). We have developed a method to improve the PCE of the third generation solar cells. The best way to improve the power conversion efficiency in solar cells is by increasing the light absorption of the photo-absorber. However, it is difficult to modify the materials to increase light absorption in solar cell structure, as they consist of thin film layers. In a nanopattern on thin film layers, the control of size, shape, and depth of such materials, with highly uniform and well-designed structures, is easily achieved. The nanopatterning thin film is prepared using the nanoimprint lithography (NIL) method to improve the PCE of organic/inorganic solar cells. We first adopted the NIL method in P3HT/PCBM bulk heterojunction (BHJ) solar cells and observed the effect of the pattern depth on the nanoimprinted layer in perovskite solar cells. The pattern depth of the nanoimprinted mesoporous TiO2 (MP-TiO2) layer is controlled by the Si master and replica mold (mold diameter: 265 nm, mold depth: 130 nm or 200 nm). Perovskite solar cells were fabricated with different nanoimprinted MP-TiO2 layer depths. The nanopatterning device with a depth of 130 nm showed improved performance by exhibiting a short-circuit current density (Jsc) of 25.24 mA/cm2, a 6.6 % enhancement. Consequently, the PCE was increased from 14.65 % to 15.77 %, a 7.6 % enhancement, due to the increased light harvesting to the perovskite structure by the high-transmittance nanoimprinted MP-TiO2 layer. The PCE of perovskite solar cell was more improved by using PCBM-Perovskite composite films with the NIL method. Fullerene derivative (PCBM) was dissolved into perovskite precursors and the corresponding inverted perovskite solar cells were fabricated. The added small amount of PCBM filled the vacancies at the grain boundaries of perovskite, and produced continuous electron pathways to enhance performance. The impedance measurements confirm the enhanced electron transporting property in PCBM-Perovskite film. The perovskite solar cells incorporated with the nanoimprinted layer and PCBM-Perovskite layers resulted in higher PCEs of 17.44 % and 18.31 %, respectively, than that of the device with the plain perovskite solar cell (16.72 %). The PCE of the perovskite solar cell could be improved with enhanced light harvesting by following the NIL method and using PCBM-Perovskite composite film to enhance electron transport properties.

Fluorinated PPVs and C60 derivatives for the application in organic solar cell

이재왕 Graduate School, Yonsei University 2007 국내석사

본 연구는 유기 태양전지에서 전자 주개와 받개로 이용되는 불소 치환기를 도입한 PPV 계열의 고분자 (poly(methoxydimethyloctyl-p-phenylenedifluorovinylene) (PPDFV)와 C60 유도체의 합성 및 태양전지로서의 특성에 관한 연구이다. 그 특성을 증가시키기 위해 PPV 계열 고분자의 비닐기에 불소를 도입하여 에너지 준위를 낮춰 개방전압을 높이고 불소기를 가진 알킬 사슬을 도입한 C60 유도체는 전자 이동도와 전자 친화도를 높임으로서 annealing 전 조건하에서 기존의 PCBM을 전자 받개로 사용하였을 때보다 고효율의 태양전지 특성을 얻었다.MDMO-PPDFV는 Gilch 반응을 이용하여 중합하였고 비닐렌 그룹에 불소기를 도입 함으로서 태양전지를 위한 광전 특성에서 개방전압을 증가시키는데 그 목적이 있다. MDMO-PPDFV 고분자는 열적으로 안정한 특성을 가지고 있으며 UV 흡광도 측정에서 MDMO-PPV에 비하여 낮은 파장에서 최대 흡수파장을 나타낸다. 이 고분자의 에너지 밴드와 준위를 UV 흡광도와 순환 전압 전류 측정법으로 측정한 결과 에너지 밴드는 2.84eV 이며 HOMO 준위는 5.88eV 였다. 반면에 일반적으로 알려진 비닐렌 그룹에 불소가 치환되기 전의 고분자 MDMO-PPV의 에너지 밴드와 HOMO 준위는 각각 2.71과 5.51 이다. 결과적으로 MDMO-PPDFV와 MDMO-PPV의 LUMO 준위는 3.04와 2.97 이며 불소 치환기의 도입 후 에너지 밴드 간격은 넓어지고 LUMO 준위와 HOMO 준위는 낮아졌다. 따라서 태양전지의 개방전압을 결정짓는 전자 받개 물질의 LUMO 준위와 전자 주개의 HOMO 준위간의 간격을 증가시킴으로써 개방전압이 높아 질것으로 기대하였다. 실제 소자를 제작하여 태양전지 특성 측정 결과 개방전압의 증가를 확인하였다.유기 태양전지의 특성을 증가시키기 위해 불소화 알킬 사슬을 C60에 도입하였다. 기존에 알려진 PCBM(Methanofullerene[6,6]phenyl C61 butyric acid metyl ester)은 sodium methoxide를 이용하여 C60과 Methyl-4-Benzoylbutyrate p-tosylhydrazone을 합성하였으며 같은 방법으로 메틸기 대신 불소화 치환기 트리플루오로에틸, 펜타플루오로프로필, 펜타플루오로부틸, 펜타플루오로벤질과 도데카플루오로헵틸기를 도입하였다. 전기화학적 특성 및 광학적 특성은 순환 전압 전류법과 UV 흡광법을 통해 확인한 결과 UV 최대 흡수파장과 환원 파장은 기존의 알려진 PCBM과 대부분 유사 하였다. 순환 전류 전압법에 의한 측정의 결과 PCBM에 비하여 다소 LUMO 준위가 낮아져 개방전압은 소폭 감소하였으나 불소화 알킬 사슬을 도입한 C60 유도체는 가정대로 전자 이동도와 전자 친화도가 증가함으로써 단락 전류와 FF 값이 대폭 개선되어 annealing 전 조건에서 P3HT/PCBM의 시스템에서 보다 나은 태양전지 특성을 확인하였다. 또한 디클로로메탄 용액에서의 용해도는 펜타플루오로벤질기를 가진 C60을 제외하고 모두 PCBM 보다 좋은 용해도를 나타냈다. 본 연구를 통해 P3HT/fluorinated C60 device에서 열 처리 전 시스템으로 기존의 P3HT/PCBM device의 열 처리 후 향상된 수준의 태양전지의 특성을 확인하였다. 이 결과를 뒷받침 하기 위해 AFM을 이용한 Raman confocal microscopy를 측정하였다. 하지만 장비의 해상도는 500nm scale로서 100nm 두께의 유기 막에서 상 분리 또는 응집에 관한 데이터를 분석 할 수는 없었다. 예측하기로 fluoro group을 가진 C60는 메틸 체인을 가진 PCBM과 달리 열 처리 전 fluoro group에 의한 응집이 이루어져 PCBM에서의 열 처리 효과와 같은 domain 형성이 가능할 것이라고 제안한다. 이 사실은 완전히 증명하여 이해할 수는 없지만 결과적으로 열처리 전 P3HT/fluorinated C60 device에서 열 처리 후 P3HT/PCBM device의 특성을 능가하는 효율을 확인하였다. The synthesis and photovoltaic properties of novel polymers, poly (methoxydimethyloctyl-p-phenylenedifluorovinylene) (MDMO-PPDFV) and C60 derivatives including fluorinated alkyl chain were investigated.New PPV derivatives, poly (methoxydimethyloctyl p-phenylenedifluorovinylene) (MDMO-PPDFV) with fluoro groups in vinylene units was synthesized by the Gilch reactions to increase open circuit voltage of photovoltaic properties. This polymer showed high thermal stability with data of TGA. The PPVs with fluorine substitution on the p-phenylene difluoro vinylene units have UV absorption maximum peaks at 356 nm that are blue-shifted compare to that of unmodified PPV. The energy band gaps of the polymers were estimated from the absorption edges and the HOMO energy levels were estimated from cyclic voltammetry. The band gap and HOMO level were 2.84 and 5.88 eV for MDMO-PPDFV, 2.7l and 5.51 eV for MDMO-PPV, and 2.36 and 5.33 eV respectively. As a result LUMO level of MDMO-PPV and MDMO-PPDFV were estimated at 2.97 and 3.04 eV. Voc of the MDMO-PPDFV/PCBM blend cell was increased compare to that of MDMO-PPV/PCBM. A Photovoltaic cell of MDMO-PPV:MDMO-PPDFV:PCBM=1:0:3 blend showed Voc of 629 mV, Jsc of 2.74 mA/cm2, FF of 42% and PCE of 0.73%. The cell of MDMO-PPV:MDMO-PPDFV:PCBM=1:0.5:3 blend showed improved photovoltaic properties Voc of 729 mV, Jsc of 3.83 mA/cm2, FF of 44% and PCE of 1.22%.Aiming at improving the phase behavior of the polymer PV cells, in this paper we synthesized a series of new C60 derivatives, which showed was increased electron mobility and electron affinity. Fluorinated alkyl chain as an electron withdrawing group improved photovoltaic properties. Methanofullerene [6,6]phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) was synthesized from the reaction of C60 and alkyl 4-benzoylbutyrate p-tosylhydrazone in the presence of sodium methoxide. C60 derivatives including fluoro alkyl chain was synthesized using the same method for the synthesis of PCBM. Fluorinated alkyl chains were trifluoroethyl, pentafluoropropyl, pentafluorobutyl, docafluoroheptyl, and pentafluorobenzyl. The electrochemical and photophysical properties of the new methanofullerenes were characterized by CVs and UV-Vis spectroscopy. From the UV/Vis absorption, we concluded that there is no change in the electronic structure for C60 derivatives. The CVs of the methanofullerenes showed lower reduction potential compare that of PCBM at the range of 0 V to -2.0 V. The photovoltaic properties of P3HT/fluorinated C60 derivatives was improved compare to that of P3HT/PCBM. Photovoltaic properties on P3HT/PCBM ([6,6]phenyl C61 butyric acid metyl ester) blend were Voc of 610 mV, Jsc of 5.2 mA/cm2, FF of 58% and PCE of 1.85%. On the other hand, photovoltaic properties on P3HT/PCBPFB ([6,6]phenyl C61 butyric acid pentafluorobutyl ester) were Voc of 562 mV, Jsc of 9.66 mA/cm2, FF of 60% and PCE of 3.26%. In addition, the solubility of the fluorinated C60 derivatives in organic solvent was increased with the increase in the length of fluorinated alkyl substitutions.A typical polymer photovoltaic device in this study was consisted of a layer of polymer thin film sandwiched between a transparent anode (Indium Tin-Oxide ITO) and a metal cathode. The ITO surface was then modified by spin-coating a thin layer of PEDOT-PSS. The active polymeric material is a mixture of donor materials and acceptor materials (MDMO-PPV/PCBM, MDMO-PPV/MDMO-PPDFV/PCBM and P3HT/fluorinated C60s of blend). Finally the cathode, consisting of LiF and Al layer, was thermally deposited on top of the active layer under vacuum.

Electron Transport Material and Compositional Engineering for Tin-Based Perovskite Photovoltaics and Photodetectors

Nasir Khan University of Science and Technology, KRICT School 2023 국내박사

후열처리 조건에 따른 고분자 태양전지의 효율특성에 관한 연구

하재영 대구가톨릭대학교 2009 국내석사

P3HT와PCBM을 기반으로 한 유기태양전지에서 광활성층의 후열처리에 대한 구조적인 특성 분석은 소자의 효율 향상을 위해 필수적이다. 다양한 열처리 조건에서 측정된 유기태양전지의 특성들 가운데 150 ℃에서 열처리된 소자는 광활성층의 구조적인 특성 향상으로 인해 electron donor와 electron acceptor 사이에서 일어나는 PICT 현상을 빠르게 진행시켜 소자내에서 전자와 정공의 재결합되는 문제점을 해결함으로써 소자의 효율을 향상시킬 수 있다. 본 실험에서는 ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al 구조를 갖는 유기태양전지를 제작하고 최적화된 온도에서 후열처리된 소자는 열처리를 하지 않은 소자보다 2배 정도 효율의 향상을 보였다. 이는 P3HT와 PCBM을 기반으로 한 태양전지에서 active layer의 후열처리에 대한 공정이 필수적이라 보여지며 이는 AFM 이미지와 XRD pattern을 통해 열처리 전과 후의 이미지와 결정성을 통해 P3HT:PCBM 박막의 구조적인 특성이 소자의 효율 특성에 가장 큰 함수로 작용한다는 것을 알 수 있다. 또한 150 ℃에서 열처리 전과 후의 topography 이미지를 비교한 결과 P3HT:PCBM 광활성층의 표면이 더욱 거칠어진 형상을 보인다. 이는 150 ℃에서 열처리 후 P3HT 층의 결정화로 인해 성장된 grain들과 비정질의 P3HT:PCBM 매트릭스 분산, 그리고 PCBM 클러스터의 재분포에 의한 것으로 사료된다. 또한 XRD pattern에서 열처리 후 P3HT의 결정성이 보이는데 이는 P3HT의 alkyl chain의 변화에 따른 결정화 현상이며 이러한 결정화 현상은 광여기된 전하들의 원활한 이동으로 소자의 효율을 향상 시키는 주요인으로 작용한다. The organic solar cells (OSCs) has drawn enormous interest as inexpensive renewable energy sources because it has many advantages, such as a low cost production, simple fabrication methode, and light weight compared to the conventional Si-based solar cells. One of the most important issues for OSCs is an improvement of the device efficiency because the relatively low efficiency is not yet sufficient for commercial applications. The efficiencies of OSCs are mainly limited by the low carrier mobility and short exciton diffusion lengths of organic. In order to increase the device efficiency, various investigations have been reported such as a postproduction treatment, morphology modification, enhancement of interface property, and the use of an optical spacer. We studied the effects of post-annealing treatment on poly(3-hexylthiophene) (P3HT, donor) : [6,6]-phenyl C61 butyric acid methylester (PCBM, acceptor) blend film as an active layer in the OSCs. For the formation of the active layer, 2 wt.% P3HT:PCBM solution in chlorobenzene was deposited by spin-coating method. In order to optimize the performance of OSCs, the P3HT crystallization and the redistribution of PCBM cluster at P3HT:PCBM composition as a function of post-annealing condition from room temperature to 200 oC were measured by the Atomic Force Microscope (AFM) images and the X-ray diffractometer (XRD) analysis. We believed that the improved efficiency in the OSCs with post-annealing treatment at 150 oC can be explained by the efficient separation or collection of the photogenerated excitons at donor-acceptor interface by P3HT crystallization.

용액공정형 도핑 기술을 통한 계면 특성제어에 따른 고효율 유-무기 하이브리드 태양전지

배준호 전북대학교 유연인쇄전자전문대학원 2017 국내석사

In this study, we introduced a facile solution-processed 1,3-Dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzoimidazole (DMBI) as a n-type doping agent for phenyl-C61-butyric acid methylester (PCBM) electron transport layer (ETL), and the effects of the DMBI-treated PCBM on the device performances in planar heterojunction inorganic-organic hybrid solar cells (PSCs) were investigated. From the conductivity and work-function investigations, it is revealed that PCBM is efficiently doped by the DMBI molecules. In particular, dramatically increased performance of PSCs was demonstrated by introducing the DMBI as a PCBM dopant to the PSCs (power conversion efficiency (PCE) of 12.53%; open circuit voltage (Voc) of 0.96 V; short circuit current density (Jsc) of 16.42 mA/cm2; fill factor (FF) of 79.12%), which are higher values than those of the un-doped PCBM-based cell (PCE= 8.15%; Voc= 0.86 V; Jsc= 12.75 mA/cm2; FF= 74.51%). Compared to cells with un-doped PCBM ETLs, it is revealed that the overall improved device characteristics shown in doped PCBM-based cells originate mainly from the increased electrical conductivity and decreased work-function of PCBM film by DMBI n-doping. These results indicate that solution-processible DMBI is a promising n-type PCBM dopant for low-cost and efficient PSCs.

MDMO-PPV:PCBM-C61을 이용한 유기 태양전지의 특성 향상에 대한 연구

김승주 단국대학교 대학원 2010 국내석사

본 논문에서는 고분자 MDMO-PPV와 fullerene PCBM-C61의 유기재료를 광활성층으로 사용한 bulk-heterojuntion 구조의 유기 태양전지를 spin coating법으로 제작하였다. 제작 된 소자의 구조는 Glass/ITO/PEDOT:PSS/ MDMO-PPV:PCBM-C61/LiF/Al의 기본 구조를 갖는다. 광활성층인 MDMO-PPV:PCBM-C61 혼합 박막은 1:4의 무게비로 구성되어 있으며, 후공정 열처리(post-annealing) 온도와 광활성층의 두께 변화 및 광활성층과 Al 전극 사이의 LiF inter-layer 유·무에 따른 전기·광학적 특성을 분석하였다. 열처리 온도를 상온~150℃로 변화시켜 소자의 표면 상태, 전기적 특성, 광흡수도를 비교하여 제작된 소자의 특성을 분석하였다. 각각의 소자는 20분 동안 열처리 되었으며, 110℃에서 가장 좋은 효율인 0.75%의 효율을 나타내었고, 이때의 단락전류밀도는 2.2mA/cm2이고, 곡선인자는 38.4%이었다. 또한 광활성층의 두께 변화를 위해 박막 코팅 속도를 변화시켜 각각 다른 200, 150, 90nm의 두께를 갖는 소자를 제작하였고, LiF 유·무에 따른 특성 변화도 분석하였다. 광활성층의 두께는 200nm 이하로 제작 되었고, 제작된 소자의 전기적 특성, 광흡수도, 외부·내부 양자효율을 비교하여 특성을 분석하였다. 가장 두꺼운 200nm의 소자에서 가장 좋은 효율인 0.49%, 단락전류밀도 1.4mA/cm2, 곡선인자 41.5%의 값을 얻을 수 있었다. 또한 LiF inter-layer를 삽입하였을 때 효율이 0.65%, 단락전류밀도 1.6mA/cm2, 곡선인자 46.4%로 개선되는 것을 확인할 수 있었다. In this paper, organic solar cells based on bulk-heterojunction structures were fabricated by spin coating method using polymer MDMO-PPV and fullerene PCBM-C61 as a photoactive layer. The fabricated OSCs had a simple Glass/ITO/ PEDOT:PSS/MDMO-PPV:PCBM-C61/LiF/Al structures. The photoactive layer of MDMO-PPV:PCBM-C61 mixed layer was formed with 1:4 weight ratio. The post-annealing temperatures and the thickness of photoactive layer were verified to improve the OSC characteristics. Also the LiF inter-layer was inserted between photoactive layer and Al metal electrode. The post-annealing temperatures were verified from room temperature to 150℃, and the surface morphology, electrical properties and absorption intensities were investigated. The devices were annealed until 20 minutes, and the highest 0.75% of the efficiency, 2.2mA/cm2 of JSC, and 38.4% of fill factor could be obtained when the temperature was 110℃. The photoactive layers were coated by different spin speed to resulting different thicknesses as 200, 150, 90nm, and absorption intensities, electrical properties and external·internal quantum efficiencies were investigated as following existence of LiF inter-layer. The highest 0.49% of efficiency, 1.4mA/cm2 of JSC, and 41.5% of fill factor could be obtained at the 200nm pristine Al electrode device. And the 0.65% of efficiency, 1.6mA/cm2 of JSC and 46.4% of fill factor could be obtained at the same thickness with LiF inter-layer device.